stringtranslate.com

Биоорганометаллическая химия

Биоорганометаллическая химия — это изучение биологически активных молекул, которые содержат углерод, непосредственно связанный с металлами или металлоидами. Важность центров основных групп и переходных металлов давно признана важной для функционирования ферментов и других биомолекул. Однако только небольшая подгруппа природных комплексов металлов и синтетически полученных фармацевтических препаратов являются металлоорганическими ; то есть они имеют прямую ковалентную связь между металлом (лоидом) и атомом углерода. Первыми и долгое время единственными примерами природных биоорганометаллических соединений были кофакторы кобаламина (витамин B 12 ) в его различных формах. [1] В 21 веке в результате открытия новых систем, содержащих связи углерод-металл в биологии, биоорганометаллическая химия быстро превращается в отдельную субдисциплину бионеорганической химии , которая охватывает металлоорганическую химию и биохимию . Природные биоорганометаллические соединения включают ферменты и сенсорные белки . Также в этой области находятся синтетически полученные металлоорганические соединения, которые служат новыми лекарственными средствами и агентами визуализации ( технеций-99m сестамиби ), а также принципы, относящиеся к токсикологии металлоорганических соединений (например, метилртуть ). [2] [3] Следовательно, биоорганическая металлохимия становится все более актуальной для медицины и фармакологии . [4]

В кофакторах и простетических группах

Витамин B 12 является выдающимся биоорганометаллическим видом. Витамин B 12 на самом деле является набором родственных ферментных кофакторов , некоторые из которых содержат кобальт-алкильные связи, и участвует в реакциях биологического метилирования и перегруппировки 1,2-углерода. Долгое время с тех пор, как его структура была выяснена Ходжкиным в 1955 году, он считался единственным примером естественной биоорганометаллической системы.

Несколько биоорганометаллических ферментов осуществляют реакции с участием оксида углерода . Дегидрогеназа оксида углерода (CODH) катализирует реакцию сдвига вода-газ , которая обеспечивает CO (через промежуточный никелькарбоксилат ) для биосинтеза ацетилкофермента A. Последний шаг осуществляется ферментом Ni-Fe CO-метилирующей ацетил-КоА-синтазой (ACS). CODH и ACS часто встречаются вместе в тетрамерном комплексе, причем CO транспортируется через туннель, а метильная группа обеспечивается метилкобаламином .

Гидрогеназы являются биоорганометаллическими в том смысле, что их активные центры имеют функциональные возможности Fe–CO, хотя лиганды CO являются только наблюдателями. [5] Биядерные [FeFe]-гидрогеназы имеют активный центр Fe 2 (μ-SR) 2 (μ-CO)(CO) 2 ( CN ) 2 , связанный с кластером 4Fe4S через мостиковый тиолят. Активный центр [NiFe]-гидрогеназ описывается как (NC) 2 (OC)Fe(μ-SR) 2 Ni(SR) 2 (где SR — цистеинил ). [6] Моноядерные [Fe]-гидрогеназы содержат активный центр Fe(CO) 2 (SR)(LX), где LX — лиганд 6-ацилметил-2-пиридинол, связанный с центром Fe через пиридильный азот (L) и ацильный углерод (X). [7] [8] Таким образом, этот класс гидрогеназ представляет собой примеры природных железоацильных комплексов.

Метаногенез , биосинтез метана, на последнем этапе включает разрыв связи никель - метил в кофакторе F430 .

Кофактор железа и молибдена ( FeMoco ) нитрогеназы содержит единицу Fe6C и является примером интерстициального карбида , встречающегося в биологии. [9] [10]

Сообщалось, что первый пример встречающегося в природе арилметаллического соединения, пинцетный комплекс, содержащий связь никель -арил, образует активный центр лактатрацемазы . [11]

В сенсорных белках

Известно, что некоторые [NiFe]-содержащие белки воспринимают H2 и таким образом регулируют транскрипцию.

Известно, что белки, содержащие медь , распознают этилен, который, как известно, является гормоном, связанным с созреванием фруктов. Этот пример иллюстрирует важную роль металлоорганической химии в природе, поскольку немногие молекулы за пределами низковалентных комплексов переходных металлов обратимо связывают алкены. Циклопропены ингибируют созревание, связываясь с центром меди (I). Связывание с медью также участвует в обонянии млекопитающих олефинов. [12]

Окись углерода встречается в природе и является фактором транскрипции благодаря своему комплексу с сенсорным белком на основе железистых порфиринов.

В медицине

Металлоорганические соединения, содержащие ртуть (например, тиомерсал ) и мышьяк (например, сальварсан ), долгое время использовались в медицине в качестве неселективных противомикробных препаратов до появления современных антибиотиков.

Титаноцендихлорид проявляет противораковую активность, а дихлоридобис[( p -метоксибензил)циклопентадиенил]титан является текущим кандидатом на противораковые препараты. Арен- и циклопентадиенильные комплексы являются кинетически инертными платформами для разработки новых радиофармацевтических препаратов.

Кроме того, были проведены исследования с использованием экзогенных полусинтетических лигандов; в частности, для переносчика дофамина, в которых наблюдалось повышение результирующей эффективности в отношении поведения, способствующего вознаграждению ( выраженность стимула ) и привыкания, а именно с фенилтропановым соединением [η 6 -(2 β -карбометокси-3 β -фенил)тропан]трикарбонилхромом .

Металлоорганические соединения , выделяющие оксид углерода , также активно исследуются ввиду важности оксида углерода как газотрансмиттера .

Токсикология

В области биоорганометаллической химии изучается судьба синтетических металлоорганических соединений. Тетраэтилсвинец привлек к себе значительное внимание в этом отношении, как и его последователи, такие как метилциклопентадиенилтрикарбонилмарганца . Метилртуть — особенно печально известный случай; этот катион образуется под действием ферментов, связанных с витамином B 12 , на ртуть.

Ссылки

  1. ^ Hodgkin DG, Pickworth J, Robertson JH, Trueblood KN, Prosen RJ, White JG (август 1955 г.). «Кристаллическая структура гексакарбоновой кислоты, полученной из B12, и молекулярная структура витамина». Nature . 176 (4477): 325–328. Bibcode :1955Natur.176..325H. doi :10.1038/176325a0. PMID  13253565. S2CID  4220926.
  2. ^ Sigel A, Sigel H, Sigel RK, ред. (2009). Связи металл-углерод в ферментах и ​​кофакторах . Ионы металлов в науках о жизни. Том 6. Королевское химическое общество. ISBN 978-1-84755-915-9.
  3. ^ Linck RC, Rauchfuss TB (2005). "Синтетические модели для биоорганометаллических реакционных центров". В Jaouen G (ред.). Биоорганометаллические соединения: биомолекулы, маркировка, медицина . Weinheim: Wiley-VCH. стр. 403–435. doi :10.1002/3527607692.ch12. ISBN 978-3-527-30990-0.
  4. ^ Jaouen G (2006). Биоорганометаллы: биомолекулы, маркировка, медицина . Weinheim: Wiley-VCH. ISBN 3527607692. OCLC  85821090.
  5. ^ Cammack R, Frey M, Robson R (2001). Водород как топливо: учимся у природы . Лондон: Taylor & Francis. ISBN 978-0-415-24242-4.
  6. ^ Volbeda A, Fontecilla-Camps JC (2003). «Активный сайт и каталитический механизм гидрогеназ NiFe». Dalton Transactions (21): 4030–4038. doi :10.1039/B304316A.
  7. ^ Хиромото Т., Атака К., Пилак О., Фогт С., Стагни М.С., Мейер-Клаук В. и др. (февраль 2009 г.). «Кристаллическая структура мутировавшей [Fe]-гидрогеназы C176A предполагает лигирование ацил-железа в комплексе железа активного центра». FEBS Letters . 583 (3): 585–590. doi :10.1016/j.febslet.2009.01.017. PMID  19162018. S2CID  1055079.
  8. ^ Шаупп С., Арриаза-Галлардо Ф.Дж., Пан Х.Дж., Кант Дж., Анджелиду Г., Пачия Н. и др. (май 2022 г.). «In Vitro Biosynthesis of the [Fe]-Hydrogenase Cofactor Verifies the Proposed Biosynthetic Precursors». Angewandte Chemie . 61 (22): e202200994. doi :10.1002/anie.202200994. PMC 9314073 . PMID  35286742. 
  9. ^ Spatzal T, Aksoyoglu M, Zhang L, Andrade SL, Schleicher E, Weber S и др. (ноябрь 2011 г.). «Доказательства наличия интерстициального углерода в кофакторе FeMo нитрогеназы». Science . 334 (6058): 940. Bibcode :2011Sci...334..940S. doi :10.1126/science.1214025. PMC 3268367 . PMID  22096190. 
  10. ^ Lancaster KM, Roemelt M, Ettenhuber P, Hu Y, Ribbe MW, Neese F и др. (ноябрь 2011 г.). «Рентгеновская эмиссионная спектроскопия свидетельствует о наличии центрального углерода в железо-молибденовом кофакторе нитрогеназы». Science . 334 (6058): 974–977. Bibcode :2011Sci...334..974L. doi :10.1126/science.1206445. PMC 3800678 . PMID  22096198. 
  11. ^ Rankin JA, Mauban RC, Fellner M, Desguin B, McCracken J, Hu J и др. (июнь 2018 г.). «Кофактор лактатрацемазы Nickel-Pincer действует с помощью механизма переноса гидрида с протонной связью». Биохимия . 57 (23): 3244–3251. doi :10.1021/acs.biochem.8b00100. OSTI  1502215. PMID  29489337.
  12. ^ Duan X, Block E, Li Z, Connelly T, Zhang J, Huang Z и др. (февраль 2012 г.). «Решающая роль меди в обнаружении одорантов, координирующих металлы». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 109 (9): 3492–3497. Bibcode : 2012PNAS..109.3492D. doi : 10.1073/pnas.1111297109 . PMC 3295281. PMID  22328155 .